JPH0345765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転物体の一部の変形を検出する方
法に関し、特にヘリコプタのロータの不平衡度を
検出するのを応用するために開発されたものであ
るが、勿論本発明の方法はその他の回転体への応
用も存在する。

本法をヘリコプタロータ翼の検出に応用する場
合、試験の結果から計算された結果を非常に容易
に理解される方法で表示されると便利なので、本
発明の別の特徴は計算された情報を表示する方法
に関する。

本発明によれば、回転物体の一部の変形を検出
する方法において、送信輻射ビームがこれらが回
転する時順次前記の一部に向けられ、これらから
反射後受信された輻射はその距離を決定するのに
使用される。

ヘリコプタロータは、その回転中心に対して質
量に関してまた各翼からの揚力の均等度に関し
て、これが主浮上ロータであると尾部ロータであ
るとに拘わらず平衡しているべきである。平衡し
たロータとは、翼が回転軸のまわりに等角度で保
持され、ロータの先端が相互に同一水平面内で回
転して各速度範囲で等しい揚力を発生するもので
ある。この平面は各飛行速力で相違するであろう
が、重要なことは与えられた速力ですべての先端
が同一平面内で回転し等しい揚力を発生すること
である。各翼が違つた速力において他の翼に対し
てどの程度変形するかは知られており、過去にお
いてこの種の変形は肉眼で、或いは経験的に測定
されており、その結果は信頼性に欠けるのみでな
く評価に相当の時間を要していた。

送受信機からの各ロータ翼の先端までの距離を
例えば当該翼の先端部の回転軌跡における特定点
で測定する本発明は、驚くべき正確な結果を生じ
ることを示したが、この結果は受信信号を計算器
に入力後ごく短時間で計算器から得られるもので
ある。

好ましい形式の送受信機は、相互間でわずかに
違う周波数を送信する、ごく近接した２送受信器
を有し、反射信号の位相差が反射した面の距離の
尺度となる２重ドツプラレーダ方式である。周波
数変調搬送波パルスを使用する単一パルス形送受
信機を使うこともできる。この様な各方式におい
ては、送受信機から翼の先端までの距離の表示を
生じ得るので、送受信機を適当な位置におくと、
測定した距離は平均平面からの翼の変形の尺度と
して使用し得る。送受信機は一般にこの平面から
通常30度程度、相当に離しておくべきである。受
信輻射の検出時刻を周期的な基準パルスと関係付
けることによつて、回転軸の周りの水平面内での
翼の任意の角度的変形もまた決定することができ
る。

別の方法においては送信機はレーザその他の輻
射平行ビームでよく、この場合反射ビームは各ロ
ータ翼の変形に応じて変移し、例えば反射ビーム
が受信器列に向うとすると、受信器列中の反射ビ
ームを受信する特定の受信器が変形量に伴つて変
化しこの変形を示す信号を送出する。この種の方
式は、通常回転軸を中心とする相互運動が視野内
に無い尾部ロータの場合に特別の価値を有する。

受信した情報を適当にプログラムした計算器に
入力することによつて、試験を行つたのち非常な
短時間で測定した変形量が得られ、事実、主ロー
タ翼先端の変形を測定するためヘリコプタ上に塔
載された送受信機、尾部ロータ翼の変形の測定用
に尾部ブームに塔載したレーザビーム送受信機お
よび両方式からの信号を受信する機室内の計算器
を有すること、および飛行中に得られる各飛行速
力で行われた試験の完成結果を得ることが実際に
可能である。その場合、後述するように（第６図
参照）各翼の先端部までの距離がそれぞれ計測さ
れるので、試験後ヘリコプタが着地すると整備員
は直ちに翼取付に関する必要な調整を行うことが
できる。本発明はこの種の装置とこれを使用する
方法を含むものである。

関連する発明は、上述の方法で得られた結果を
表示する方法であるが、この場合、本法は多翼ヘ
リコプタロータの個々の翼の変形に応用されるも
ので、この関連発明によれば１翼または各翼に対
して回転サイクル中の変形が１種または各種の飛
行速力に対してグラフ表示される。特に、特定の
速力の場合の全部の翼の平均変形位置を決定する
ことができ、表示はこの平均変形にグラフ的に関
連させ得る。

その他の可能性としては、所定の飛行速力に対
する平均変形に関して回転平面に直角な、および
相互間の角度的な方向的な全部の翼の変形を示す
ことである。

各種の速力のそれぞれにおける翼の変形を列状
に示す各翼に対する曲線を示す傾向図を表示する
こともでき、また、この種の表示に対して、表示
に沿つてそれぞれ離隔した全部の翼に対して曲線
を作ることも、一つの翼に対して曲線を表示する
ことも可能である。

回転毎のマーカーに対する所定の点を通過する
個々のロータ翼の通過の時間的不規則性を検出す
ることによつて不良翼内ダンパを検出し見わける
ことにより、その結果を操縦者に表示することが
可能である。従来、これはどの程度の確実度にお
いても可能ではなかつた。

本発明は各種の方法で実施し得ようが、例示と
して１実施例を添付図面を参照して説明する。

ヘリコプタのロータは製造した時もその後も、
ロータ翼が平面図で見た場合等角度間隔で隔てら
れ、またロータ翼端がすべて回転軸にほぼ垂直な
同一平面内で動く様に常に平衡していることが要
求される。この平衡を得るために翼の取付を調整
する方法は各翼の不平衡度が判明しておれば完全
に明らかとなるが、現在まで個々の翼の不平衡量
を正確に検出する満足すべき方法は発見されてい
ない。

本発明によれば、２重ドツプラ送受信機が１１
で示す様に機室の一側に扉１２のすぐ下にその送
信中心軸が約35度の角で上方に傾斜してロータが
回転するとロータ翼１３の先端で遮断される様に
取付けられている。第２図は、送信機１４の中心
軸が、好ましい配置法においては、上方に向けて
傾斜しているのみならず内側に向かつても傾斜し
ていることを示すが、略式平面図である第４図に
よると、送信機の中心軸を中心とする錘形１５が
上向きの角度を有すると共にヘリコプタの機首−
尾端軸と角度を作つて方向ぎめされていることを
示す。回転翼の先端がドツプラ受信器に反射信号
を与え得る限り、正確な位置は問題ではない。そ
の他の可能な配列を第４図に１１′で示す。ロー
タ翼の先端は良好な反射信号を得るためにこれに
固着された小金属反射面を有する。

第１図はロータが回転していない時、ロータ翼
１３がたれ下つている状態を示すが、ロータが回
転を始めると、翼は持上つて外側に水平に伸びる
傾向を示し、ヘリコプタを浮上させ始めると第５
図に１６で略示する様に上向円錐状になる。

第５図はロータ軸を含む垂直面内の略図であ
り、送受信機１１を有する。ロータが停止状態の
ときおよびこれが最大揚力を出している時にそれ
ぞれ翼がその面内で取る極限位置を「Ｓ」および
「Ｌ」で示すが、第５図はハブ１７を通る水平面
以下にある送受信器の移動のため「Ｓ」と「Ｌ」
との間の翼端の移動が送受信器から翼端への距離
（R_S）または（R_L）に相当な差異が生じる様子を
示す。

送受信器は「イントロダクシヨン トウ レー
ダ システムズ」（Introduction to Radar
Systems）第106頁にスコルニク（Skolnik）が記
載している種類の多周波数搬送波レーダ方式を使
用しているが、これによれば第３図に１８および
１９で示す２送受信機が連続的に周波数（₁）お
よび（₂）の電波を送信する。翼端から受信器へ
の反射信号は（₁＋d₁）および（₂＋d₂）であ
るが、d₁およびd₂は送受信器に向つての翼端の
速度成分から誘導されるドツプラ周波数成分であ
る。反射信号間の位相差は送受信機からの翼端の
距離の直接の尺度であり、従つて軌跡外状態のほ
ぼ直接な尺度となる。各翼端は各受信器に反射信
号を与えるのでロータ回転毎に３対の反射信号が
あること、第６図に２２で一般的に示す通りであ
る。従つて、ロータの回転と同期した基準パルス
２１と反射信号２２との位相差により、入力して
きた反射信号２２がどの翼端からの反射信号であ
るかを把握することができる。

今、周波数（₁）と（₂）の差が（₁）に比較
して非常に小さいとすると、（d₁），（d₂）は周
波数₁，₂に比べて非常に小さく、（d₁）と
（d₂）とはほぼ等しい値になるのでこれを等しい
ものとすると、送受信機と翼先端と距離Ｒは次式
により求められる。

Ｒ＝ｃ・ｔ／4π・Ｔ …(1) ここで、ｃは電波の伝搬速度、ｔは第６図に示
すように反射信号ra、rb間の位相差であり、Ｔは
２つの搬送周波数の周波数差（＝2−1）であ
る。周波数差Ｔ（＝2−1）はそれぞれの搬送周
波数を設定すれば一定値となるが、その値が小さ
い程位相差ｔに対する測定感度を上げることがで
きる。そして、反射信号の位相差ｔを用いて演算
しているので、翼の速度が変化してもそれに依存
せずに微細な変位を精度良く計測することができ
る。

なお、通常のドツプラレーダ方式においては距
離Ｒは次の式により求められる。

Ｒ＝ｃ・ｔ／4π・ …(2) ここで、は搬送周波数である。(1)式と(2)式と
を比較すれば明らかなように、(1)式においては(2)
式の搬送周波数が周波数差Ｔに置き換られてお
り、従つて、(1)式による計測方法がいかに微細な
変位を計測できるかが分かる。

回転中の翼端の送受信器１１からの距離のこの
測定法は、驚異的に正確であることが判明し、受
信信号の解析から、送受信機からの錘体１５が遭
遇する回転位置での全ロータ翼端の平均回転面か
らの各翼端の上または下への変移量を非常に正確
に知ることができる。

更に、第６図を精査すると、解析によつて各翼
が水平に等角度間隔で位置しているが、或いは１
つの翼とこれに先行する翼の間の間隔が、その翼
と後続する翼との間の間隔より多いか少いかが明
白になる様に輻射の反射バーストの中心が基準繰
返しパルス２１と関連付け得ることを示してい
る。

いつたんこの情報が得られれば、任意の軌跡外
状態あるいは前進後退エラーを補正するために翼
の取付を如何に調節すべきかは充分に明確とな
る。

翼の作用は各種のロータ速力ないし飛行速力に
おいて相当に変化するので、ロータが着地状態で
回転するとき、およびヘリコプタが浮揚ないし各
種の速度で飛行中に行つた試験結果を記録するた
めに、本発明はヘリコプタ上に電子記録及計算装
置を乗せることを企図している。

記録装置中の計算機は容易に読取可能の要領で
情報を表示する様にプログラムすることができ
る。

例えば、第７図はそれぞれ100ノツト、120ノツ
トおよび140ノツトの速力における特殊な４翼形
ヘリコプタに対してのVDU表示を示す。２４で
示す水平な直線はロータ翼端が送信錘体を横切る
ロータ翼端の平均高さとして計算されたもので、
各翼端の高さはこの平均値に対して表示されてい
る。縦坐標は２５で示す様にインチで目盛つてあ
り４個の翼の番号を２５で示している。120ノツ
ト時の表示はこの速力では第２翼が高いことを示
し、一方100ノツトではこれが低くなつている。
なお、このように翼の速度が異なつても微細な変
異を精度よく計測できることが確認できている。
第７図の表示ではすべての翼が角度的に正確に位
置しているが、第８図に示す60ノツトでの別の表
示では、第２翼は角度的に正確に位置してはいる
が第１および第４翼はその正規角位置から進んで
おり、一方第３翼は遅れていることが見られる。
この表示を見た整備員は翼の取付に適切な調整を
容易に行うことができる。

計算機はまた、４本全部の翼の各種速力での結
果を集めて第９図に示す総合表示としてこれらを
表示する様にプログラムすることもできる。４本
の翼のそれぞれに対して試験速力のそれぞれに対
する読取を各種直線に沿つて、線上にあるか線の
一側または他側にあるかを翼端が対応する試験中
に平均レベルにあるかこのレベルの上または下に
あるかに応じて表示する。例えば第９図は第１翼
が浮揚時低位置にあるが、飛行速力が120ないし
140ノツトの範囲で確実に平均レベルのすぐ下に
なるまで、速力が増加するのに伴つて平均レベル
に向つて上昇してゆくことを示す。

第１０図は特定の翼（この場合第４翼である
が）の第９図に対応する表示であるが、ただ１つ
の翼に対する「傾向」曲線を示しているので、２
８に示す様に縦軸を変形のインチ数で目盛ること
が可能である。

試験中にロータは多数の回転があるので、各回
転毎の読取が記録、蓄積されて、平均読取が集め
られる。

各種のヘリコプタ設計の数々に対して回転物体
の複合特徴を明らかにしてそのヘリコプタ設計の
特徴を得るために試験を行うことが可能である。
即ち、或るヘリコプタ設計に対する特定の対空気
速力での固有の特徴的振動の表示は第１１図に示
す様なものである。この特性は記録し、特定のヘ
リコプタで行つた測定の表示に先立つて計算機に
入力することもでき、次いでその特定のヘリコプ
タで実際に測定した振動を第１２図に示す様に表
示することもできる。例えば２８の様に囲みプロ
グラミングを行うことによつて各部品の計算上の
振動最大許容振幅を示して測定特性を見ている使
用者に直ちにこの様に明示されている或いは明示
されていないロータその他の部品が満足すべきで
あるか否かを直ちに判断可能とすることも可能で
ある。例えば２９での振動尖頭値は囲み２８の上
迄伸びており、これは受入不可であるが、一方尖
頭値３１はその囲み２８以上には伸びていず、主
ロータ翼に対する振動振幅が受入可能レベルにあ
ることを示している。

ヘリコプタの尾部ロータの平衡を得ることを可
能にするために、１種またはそれ以上の飛行速力
で試験を行つた翼端の回転平均面に対する各翼の
変形を測定することが必要である。第１３図に、
２本の翼１１１を有するものとしてロータを示し
ているが、殆んどのヘリコプター尾部ロータに共
通して、翼は回転軸１１２の周りの移動自由度は
ないので、ロータの生じ得る軌跡外れは尾部ブー
ム１１３への或いはこれからはなれる翼端の変形
としてのみ表示し得る。

本発明によればロータの回転中の翼端変形はレ
ーザビームと惑光ダイオード列によつて測定され
る。これらはブームの上に取付けられたライトボ
ツクス１１４中に収納されており、レーザダイオ
ード１１６からのレーザビーム１１５は翼の回転
につれて第１４図に１１７で略示する様に翼で遮
断される。各翼１１１はその端部近くに反射スト
リツプ１１８を有するが、これは貼付アルミニウ
ム箔でも、例えば反射性ガラスビーズのある領域
でもよい。領域１１８から反射された光はライト
ボツクス内に取付けられた惑光ダイオード列１１
９の１つに入射するが、このダイオード列は２本
の矢印１２１で定まる範囲内に延在している。

非変形ロータ翼１１１、即ち正常な理論的平面
内にあるものを第１４図に実線で示しているが、
反射レーザビーム１２２がダイオード列の中心に
ある惑光ダイオードに入射していることが見られ
得る。

一方において、翼がブーム１１３の方に距離
「ｄ」丈け変形して１１１′で鎖線で示す様になつ
たとすると、反射レーザビーム１２３はダイオー
ド列１１９の一端に近い惑光ダイオードに受光さ
れよう。これは単に反射点１２４が非変形翼１１
１に対する反射点１２５よりもライトボツクスの
近くにあること、或いは変形「ｄ」がハブ軸１１
２を中心とする角度的変形で、そのため反射面１
１８の平面が非変形翼の平面に対して角度を有す
るためでもあり得る。

第１４図の実施例において、若干の数値列を示
す。ロータ翼端はハブ軸１１２から半径185cmの
所にあり、非変形翼面はライトボツクス１１４の
表面から300cmの距離にあり、ブーム１１３の側
面からおそらく10cmの所にある。経験されるであ
ろう変形量はまず３ないし４cm以上ではないが、
光学装置の配列は、反射ビーム１２２または１２
３を受光するダイオード列１１９中の特定の惑光
ダイオードが翼の変形量の正確な表示を生じ得る
様な要領であるべきである。

各ロータの回転を定めるための基準信号として
作用するために信号をロータ上の黒色被覆その他
の反射面からの反射で得ることができ、従つて惑
光ダイオードからの出力をそれらの基準信号に相
関させ得、信号を生じる翼の同定を行い得る。

加速度計１２７をハブ軸受に取付け、それから
の出力を回転基本周波数以上および以下の成分を
除去のため波したのち、黒色被覆その他の基準
面からの周期性パルス信号に相関させ得る基本正
弦波を作るのに使用し得、次いで正弦波頂点と黒
色被覆信号間の位相角のチエツクによつて公知の
方法で尾部ロータの動的不平衡度の表示を作り得
る。

尾部ロータの不平衡度を測定するこの装置は、
第１図ないし第６図の主題である装置と組合わせ
て使用して主ヘリコプタロータの不平衡の測定お
よび結果を観察可能に表示するのに使用し得る。
上述した計算機は従つてライトボツクス１１４お
よび加速度計１２７から入力を受取り得る。

本発明はロータ上の翼端の変形の測定に応用さ
れるものとして説明してきたが、任意の回転物体
の各点の変形の測定に応用可能のことは云うまで
もない。例えば信号はプロペラ、フアン或いは回
転中のタービン回転子から受取り得、また、旋転
して臨界速力変形をしている回転シヤフトにそつ
た位置からも得ることが可能とされる。

再言すると、本発明は、反射を生じる部品の距
離を示す位相差信号を得る二重ドツプラ法を使用
するものとして第３図および第６図について説明
してきたが、各パルス中で周波数がパルスの初ま
りから終りにかけて変調され、振幅も同様変調さ
れているパルス化周波数変調搬送波信号を使用す
ることも可能であろう。反射パルスからパルスの
初めおよび終りで選定された信号を使用すること
により、同様に距離を定め得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による軌跡及び不平衡検出器を
取付けたヘリコプタの側面図、第２図は第１図に
対応する平面図、第３図、第４図および第５図は
軌跡および不平衡検出器の動作の説明に有用な
図、第６図は本方式に使用された信号特性、第７
図ないし第１２図は試験によつて決定された軌跡
及び不平衡情報の各種の表示、第１３図は尾部ロ
ータを示すヘリコプタの尾部の立面図、また、第
１４図は第１３図の矢印の方向から見た図であ
る。 １１…送受信機、１２…ヘリコプタ扉、１３，
１１１…ヘリコプタロータ、翼、１４…送信輻射
ビーム、１８，１９…２重送受信機、１１３…尾
部ブーム、１１４…ライトボツクス、１１５…レ
ーザビーム、１１６…レーザダイオード、１１８
…ビーム反射部分、（反射ストリツプ）、１１９…
検出器列、ダイオード列、１２２，１２３…レー
ザ光反射ビーム、１２７…加速度計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ヘリコプターのロータのブレードの先端部が
   飛行中に回転しているとき、ヘリコプター本体に
   取り付けられた送信器によりその先端部に向けて
   電磁波ビームを放射する工程と、 ヘリコプター本体に取り付けられた受信器によ
   り、その回転しているブレードの先端部から前記
   電磁波ビームの反射波を受信する工程と、 前記反射波を入力し、少なくともその反射波信
   号に基づいて回転中の各ブレードの先端部の位置
   を演算する工程と、 演算されたブレードの先端部の位置を表示する
   工程と を有することを特徴とする回転体を測定する方
   法。 ２ 反射波信号はブレードの先端の位置を演算す
   るためにコンピユータに入力される特許請求の範
   囲第１項記載の回転体を測定する方法。 ３ 全てのブレードの変形を表示する表示形式、
   又は異なつた速度における少なくとも１つのブレ
   ードの変形を表示する表示形式により、測定が実
   施されている間、その解析結果がヘリコプター内
   で可視的に表示される特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の回転体を測定する方法。 ４ ヘリコプター本体に取り付けられ、ヘリコプ
   ターのロータのブレードの先端部が飛行中に回転
   しているとき、その先端部に向けて電磁波ビーム
   を放射する送信器と、 ヘリコプター本体に取り付けられ、その回転し
   ているブレードの先端部から、前記電磁波ビーム
   の反射波を受信する受信器と、 前記反射波を入力し、その反射波信号及び送信
   器の放射信号に基づいて回転中のブレードの先端
   部の位置を演算するコンピユータと、 演算されたブレードの先端部の位置を表示する
   手段と を有することを特徴とする回転体を測定する装
   置。 ５ 全てのブレードの変形、又は異なつた速度に
   おける少なくとも１つのブレードの変形を表示す
   るために、コンピユータにより制御される可視デ
   イスプレースクリーンを有することを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の回転体を測定する装
   置。 ６ 多周波数搬送波レーダ方式により電磁波ビー
   ムを送受信することによりブレードの先端部と送
   信器及び受信器との距離を求める特許請求の範囲
   第１項記載の回転体を測定する方法。 ７ ロータの回転に同期した同期パルス信号と反
   射波との位相差に基いて各ブレードの反射信号を
   把握する特許請求の範囲第６項記載の回転体を測
   定する方法。